Le théorème des cordes universelles
Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques MPSI, chapitre 6 — Limites, continuité, dérivabilité, convexité · B. Continuité et grands théorèmes
Énoncé
Soit une fonction continue sur telle que .
a) Montrer qu'il existe tel que .
b) Montrer que pour tout entier , il existe tel que .
c) Soit tel que . On pose . Vérifier que , et montrer que est une constante non nulle : n'a aucune corde horizontale de longueur .
Corrigé
La stratégie. Le schéma complet des théorèmes d'existence : une égalité à obtenir → une fonction auxiliaire dont c'est un zéro → théorème des valeurs intermédiaires. L'ingrédient propre à cet exercice : obtenir deux valeurs de signes contraires sans connaître aucun signe, par une somme télescopique nulle.
a) La corde de longueur . Posons, pour , . Elle est bien définie () et continue sur , comme différence de composées de fonctions continues. Ce qu'on cherche est un zéro de .
On ne sait rien du signe de ni de celui de . Mais leur somme se télescope : grâce à l'hypothèse — c'est le seul endroit où elle sert. Donc . Si , alors convient. Sinon, et sont de signes stricts opposés, et le théorème des valeurs intermédiaires appliqué à , continue sur , fournit tel que , c'est-à-dire .
b) Les cordes de longueur . Posons cette fois sur , continue. Évaluons-la aux points et additionnons : par télescopage. Une somme de réels est nulle : ou bien l'un d'eux est nul — et le point correspondant convient — ou bien deux d'entre eux, et avec , sont de signes stricts opposés (s'ils étaient tous non nuls et de même signe, la somme ne serait pas nulle). Le théorème des valeurs intermédiaires sur fournit alors tel que . Pour tout , il existe une corde horizontale de longueur .
Le point délicat. On ne connaît le signe d'aucune valeur de , et l'on n'en a pas besoin : c'est un raisonnement global sur une somme, non un calcul. Chercher à évaluer en un point précis est une impasse, puisque est quelconque.
c) Les autres longueurs échouent. Vérifions d'abord : et . La fonction est continue sur et satisfait donc les hypothèses du théorème. Calculons maintenant, pour , Or , donc : les deux premiers termes s'annulent, et C'est une constante, et elle est nulle si et seulement si , c'est-à-dire , c'est-à-dire — et comme , si et seulement si . Par hypothèse ce n'est pas le cas : la constante est non nulle, et n'a aucune solution. Par exemple, pour : , et pour tout .
Le théorème obtenu est celui des cordes universelles (Paul Lévy, 1934) : les longueurs telles que toute fonction continue sur avec admette une corde horizontale de longueur sont exactement les , .
Ce que l'exercice installe. D'abord le schéma « égalité → fonction auxiliaire → TVI », qui est celui du théorème du point fixe et celui de Rolle. Ensuite l'idée qu'un contre-exemple fait partie du théorème : le b) sans le c) laisserait croire que toutes les longueurs marchent, et c'est faux. (Lecture : est le profil d'altitude d'une randonnée qui revient à son point de départ ; il y a toujours deux points distants d'une demi-étape à la même altitude, mais pas nécessairement deux points distants de deux tiers d'étape.)
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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.